Адаптивная антенна на беспилотном летательном аппарате или как одновременно увеличить дальность связи и подавлять помехи16.01.2023 13:01

Можно ли одновременно увеличить дальность связи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА) и подавлять помехи без увеличения габаритов, массы и энергопотребления бортового модема? В настоящей статье мы рассмотрим как это можно сделать с помощью адаптивной антенной системы. Статья написана для разработчиков и эксплуатантов БЛА и является продолжением цикла статей про связь с БЛА (начало цикла см. в [1] и [2]).

Адаптивная антенна

Адаптивной антенной (АА) называют антенну которая может менять форму своей диаграммы направленности (ДН) в зависимости от состояния канала связи и делает это автоматически без вмешательства оператора. Адаптация производится с использованием простого критерия — максимизация качества связи. Другими словами ДН адаптивной антенны устанавливается такой, чтобы качество связи было наилучшим в текущих условиях в канале.

АА, работающая в режиме передачи, будет пытаться совместить максимум ДН с направлением на приемник системы связи. АА, работающая в режиме приема, будет делать то же самое, но при этом еще и следить за наличием помех в канале связи. Если помех нет, то ее ДН будет такая же как в режиме передачи, в противном случае в направлении помехи будет установлен минимум ДН.

В простейшей конфигурации АА представляет собой: (1) два антенных элемента в виде штыревых антенн, установленных на корпусе БЛА, как показано на рис. 1; (2) аппаратный комплекс, расположенный в ВЧ блоке модема, и (3) стек алгоритмов обработки сигналов, выполняющийся в вычислительной системе модема. Очевидно, что такая АА занимает места не больше, чем традиционная антенная система БЛА.

Рис. 1. Изображение антенных элементов, установленных на корпусе БЛА Рис. 1. Изображение антенных элементов, установленных на корпусе БЛА

Увеличение дальности связи при использовании адаптивной антенны

Дальность связи находится из стандартного уравнения дальности [3]

(1)

$R=\frac{c}{4 \pi F}10^{\frac{P_{TXdBm}+G_{TXdB}+L_{TXdB}+G_{RXdB}+L_{RXdB}+|V|_{dB}-P_{RXdBm}}{20}},$

где
— искомая дальность связи [meters];
— скорость света в вакууме [m/sec];
— частота [Hz];
$P_{TXdBm}$ — мощность передатчика модема [dBm];
— усиление антенны передатчика [dBi];
$L_{TXdB}$ — потери в кабеле от модема к антенне передатчика [dB];
$G_{RXdB}$ — усиление антенны приемника [dBi];
$L_{RXdB}$ — потери в кабеле от модема к антенне приемника [dB];
$P_{RXdBm}$ — чувствительность приемника модема [dBm];
$|V|_{dB}$ — множитель ослабления, учитывающий дополнительные потери за счет влияния поверхности Земли, растительности, атмосферы и других факторов [dB].

Собственно к антеннам в (1) имеют отношение только 2 параметра — $G_{TXdB}$ и $G_{RXdB}$ . Особое значение для связи с БЛА имеет канал БЛА → наземная станция (НС). В этом канале может передаваться большой объем информации (например, видео), а это требует большого энергетического бюджета
(2)

$B=P_{TXdBm}+G_{TXdB}+G_{RXdB}-P_{RXdBm}.$

Из (2) видно, что бюджет канала можно увеличить за счет увеличения коэффициентов усиления антенн $G_{TXdB}$ и $G_{RXdB}$ . С увеличением коэффициента усиления антенны НС ( $G_{RXdB}$ ) дело обстоит несколько проще, т. к. во многих случаях на НС есть подходящие условия для установки даже весьма габаритных антенн с высоким коэффициентом усиления. Увеличение коэффициента усиления антенны БЛА ( $G_{TXdB}$ ) представляет собой сложную задачу ввиду наличия двух обстоятельств.

Габариты антенн растут прямо пропорционально коэффициенту усиления.
Чем выше коэффициент усиления антенны, тем более узкая у нее ДН (антенна фокусирует энергию в одном направлении).

Первое обстоятельство делает трудным или даже невозможным установку таких антенн на БЛА из-за отсутствия там достаточного места. Второе обстоятельство приводит к необходимости установки на БЛА механических систем поворота антенны. В результате антенны с высоким коэффициентом усиления (направленные антенны) иногда используют только на больших БЛА. На малых БЛА стандартом де-факто является установка штыревых антенн которые имеют малое аэродинамическое сопротивление, механически надежны и легко крепятся. Штыревые (дипольные) антенны являются направленными только в угломестной плоскости (плоскость в которой располагается штырь), а в азимутальной плоскости они ненаправлены (ширина ДН составляет 360⁰).

К счастью, даже из двух штыревых антенн можно образовать весьма эффективную АА, расположив штыри на расстоянии от половины до целой длины радиоволны на которой работает линия связи НС ↔ БЛА.

На рис. 2 голубым и красным цветами показана ДН АА, составленной из двух штыревых антенн, в угломестной плоскости в полярных координатах, а зеленым цветом — ДН одиночной штыревой антенны. Штыревые антенны расположены так, что они «протыкают» плоскость рисунка, точки «прокола» антенн, составляющих АА, лежат на линии 90–270⁰, одиночная штыревая антенна «протыкает» плоскость рисунка в начале координат. Расстояние между элементами АА равно половине длины волны. Мощность передатчика, подаваемая в одиночную штыревую антенну и в АА, одинакова (в каждый из двух элементов АА подается половина мощности одиночной антенны).

Рис. 2. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (голубой) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно половине длины волны Рис. 2. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (голубой) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно половине длины волны

Из рис. 2 видно, что даже при использовании всего двух элементов АА хорошо фокусирует энергию передатчика в направлении азимута 0⁰ — выигрыш в усилении для АА в этом направлении относительно одиночной штыревой антенны составляет 1.5 дБ. Почему не 3 дБ? Это происходит из-за взаимного влияния штыревых антенн, входящих в АА. В направлении азимута 0⁰ это влияние носит деструктивный характер. Дело в том, что даже в идеальной антенне только половина принимаемой энергии передается в нагрузку, вторая половина переизлучается назад в пространство в соответствии с ДН антенны [4]. Если переизлученная первой антенной энергия складывается в месте расположения второй антенны с энергией набегающей от передатчика волны в противофазе, то происходит ослабление принимаемого АА сигнала, в противном случае происходит усиление. При работе в режиме передачи эта особенность антенны сохраняется в силу теоремы взаимности. Для штыревых антенн, расположенных на расстоянии половины длины волны друг от друга ослабление имеет место при приеме сигнала с нулевого азимута, а усиление — с азимута 90⁰. Действительно, фокусировка энергии передатчика в направлении азимута 90⁰ просто превосходная — выигрыш в усилении для АА в этом направлении относительно штыревой антенны составляет 4.3 дБ! В направлении азимута 90⁰ взаимное влияние штыревых антенн в АА носит конструктивный характер. Это явление может быть использовано в БЛА самолетного типа где штыревые антенны могут устанавливаться вдоль оси БЛА и тогда при полете БЛА от/к НС дальность связи будет наибольшая. Однако, при маневрах БЛА на предельной дальности возможны пропадания связи из-за уменьшения коэффициента усиления АА до 1.5 дБ.

Снизить взаимное влияние штыревых антенн можно путем увеличения расстояния между ними. На рис. 3 изображены ДН АА при расположении штыревых антенн на расстоянии длины волны друг от друга.

Рис. 3. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (красный) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно длине волны Рис. 3. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (красный) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно длине волны

Из рис. 3 следует, что при расстоянии между штыревыми антеннами, равном длине волны, ДН АА для азимутальных направлений 0⁰ и 90⁰ одинаковы. Выигрыш АА в усилении относительно штыревой антенны составляет около 3.7 дБ, что говорит о снижении взаимного влияния штыревых антенн при увеличении расстояния между ними. Также можно видеть, что при увеличении этого расстояния количество максимумов и минимумов ДН АА увеличивается. На рис. 2 было 2 максимума, а на рис. 3 уже 4. При дальнейшем увеличении расстояния лучи ДН АА могут оказаться слишком узкими и при быстрых маневрах БЛА требуемая скорость изменения положения максимума ДН может оказаться слишком высокой для следящей электронной системы. Как следствие, возникнут провалы в уровне сигнала в месте приема, а это может привести к разрывам соединения. Для сравнения на рис. 4 и 5 приведены ДН АА при расстоянии между штыревыми антеннами в 2.5 (рис. 4) и 0.75 (рис. 5) длины волны. В целом, оптимальным является размещение элементарных антенн, входящих в АА, на БЛА на расстоянии друг от друга от половины до целой длины волны, что дает достаточно свободы разработчикам БЛА в практическом плане.

Вывод. Применение АА, состоящей всего из двух штыревых антенн на БЛА дает возможность увеличить энергетический бюджет линии связи в среднем на 3 дБ при той же мощности передатчика (соответственно, тех же габаритах и энергопотреблении), что эквивалентно увеличению дальности связи в свободном пространстве в 1.4 раза. Подобная АА реализована, например, в модеме [5].

Рис. 4. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (голубой) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно 2.5 длины волны Рис. 4. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (голубой) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно 2.5 длины волны Рис. 5. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (голубой) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно 0.75 длины волны Рис. 5. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ (голубой) и 90⁰ (красный). Расстояние между элементами АА равно 0.75 длины волны

Дальность связи при наличии помехи

При отсутствии помех дальность связи ограничена наличием внутренних шумов приемника. Внутренние шумы всегда присутствуют в электронных цепях, нагретых выше температуры абсолютного нуля. Их принципиально невозможно устранить, можно только уменьшить за счет охлаждения и/или совершенствования электронных цепей.

Помеха является внешним источником шума для приемника системы связи. Это важное отличие влечет принципиальную возможность полного удаления помехи при определенных условиях. Помехи радиосвязи возникают как результат работы более одного источника радиосигнала в пересекающихся диапазонах частот. Их принято разделять на непреднамеренные и преднамеренные.

Непреднамеренные помехи чаще всего возникают в нелицензируемых диапазонах частот (т. н. ISM диапазоны [6]). ISM диапазоны, вообще говоря, не предназначены для радиосвязи, но использовать их для этого не запрещается. Однако, регламентирующие международные договоренности предписывают радиосвязным устройствам, работающим в ISM диапазонах, принимать помехи как данность. Популярный для связи с БЛА диапазон 2.4–2.5 ГГц один из примеров ISM диапазона. Таким образом, помехи в ISM диапазонах это норма.

Преднамеренные помехи могут иметь место как в нелицензируемых, так и в лицензируемых диапазонах частот как результат применения методов радиоэлектронной борьбы (РЭБ) [7]. Разрушение линии связи противника является основной задачей преднамеренных помех. Это в корне отличает их от непреднамеренных помех которые не преследуют такой цели.

Чтобы лучше понять как помехи действует на систему связи рассмотрим помеху в виде гауссовского белого шума. Это довольно «практичный» вид преднамеренной помехи, т. к. гауссовский шум имеет наибольшую энтропию из всех случайных процессов с фиксированной мощностью, т. е. он больше всего разрушает информацию. Ниже приведено выражение для чувствительности приемника при воздействии на систему связи такой помехи.

(3)

$P_{RXidBm}=P_{RXdBm}+10 \cdot log_{10}(1+P_i/P_n),$

где
$P_{RXidBm}$ — чувствительность приемника модема в дБм при наличии помехи;
P_i — мощность помехи в полосе, занимаемой полезным сигналом;
P_n — мощность внутреннего шума приемника в полосе, занимаемой полезным сигналом.

Отношение P_i/P_n называется отношение помеха–шум (Interference-to-Noise Ratio — INR). Если мощность помехи равна 0, то INR=0 и $P_{RXidBm}=P_{RXdBm}$ , в противном случае чувствительность приемника ухудшается на величину второго слагаемого в (3). Если мощность помехи превышает мощность внутреннего шума приемника намного больше 1, то чувствительность приемника ухудшается на величину примерно

(4)

$INR_{dB}=10 \cdot log_{10}(1+P_i/P_n).$

Более всего разрушительному влиянию помех подвержены качественные приемники с низкими значениями собственных шумов. Да, они обеспечивают высокие значения дальности связи с БЛА при отсутствии помех, но стоит только помехе появиться на горизонте как качество связи ухудшается самым драматичным образом. Например, при P_i=P_n чувствительность приемника ухудшается на 3 дБ, как следует из (3), а это в свою очередь уменьшает дальность связи в свободном пространстве в 1.4 раза.

Для подавления помех в радиосвязи могут быть использованы те же принципы, что используются для их подавления в электронных цепях, речь идет о фильтрации. Например, если разработчик БЛА обнаружил, что некий электронный блок создает помехи по шине питания другим электронным блокам, то, оценив частоту помехи на шине питания с помощью спектроанализатора, он может поставить фильтр на входе питания проблемного блока и тем самым уменьшить уровень помехи на шине. АА действует точно таким же образом, разница только в том, что анализируемый спектр располагается не в частотной области, а в пространственной. Т.е. гармоники анализируемого сигнала определяются не частотой, а угловым положением относительно антенной решетки. Если гармоника полезного сигнала и гармоника помехи расположены на разных пространственных направлениях (например, азимутах), то их можно разделить фильтрацией.

АА относятся к классу адаптивных фильтров [8]. Адаптивные фильтры могут менять свои характеристики с целью оптимизации некоторого заранее выбранного критерия. Например, частотный фильтр может менять форму своей АЧХ с целью подавления меняющейся по частоте помехи так, чтобы отношение сигнал/шум (ОСШ) в сигнале на выходе фильтра было максимальным. Аналогичным образом АА действует на помеху — минимум ДН АА устанавливается в направлении помехи, а в направлении сигнала устанавливается максимум. Таким образом, ОСШ в принимаемом сигнале также максимизируется.

На рис. 6 показана ДН АА в полярных координатах при ориентации максимума ДН в направлении азимута 0⁰ (зеленое направление) при наличии помехи на направлении с азимутом 45⁰ (красное направление) при INR=15 дБ (красная ДН) и –5 дБ (голубая ДН).

Рис. 6. ДН адаптивной антенны в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ и наличии помехи в направлении азимута 45⁰ с INR=15 дБ (красный) и –5 дБ (голубой). Расстояние между элементами АА равно половине длины волны Рис. 6. ДН адаптивной антенны в полярных координатах при ориентации максимума ДН АА в направлении азимута 0⁰ и наличии помехи в направлении азимута 45⁰ с INR=15 дБ (красный) и –5 дБ (голубой). Расстояние между элементами АА равно половине длины волны

Из рис. 6 видно, что при наличии помехи большой интенсивности (INR=15 дБ) АА устанавливает в направлении помехи минимум ДН большой глубины, но при этом уровень ДН в направлении на сигнал также уменьшается. При наличии же помехи небольшой интенсивности (INR=–5 дБ) нет смысла устанавливать в ее направлении глубокий минимум, т. к. при этом уровень ДН в направлении на сигнал также снижается. В этом случае ОСШ максимизируется когда в направлении на помеху устанавливается уровень ДН приблизительно на 10 дБ меньше, чем в направлении на сигнал. Это наглядно поясняет смысл оптимальности в адаптивной фильтрации. Если помехи не было бы вообще, то ДН АА не отличалась бы от ДН, показанной на рис. 2.

Если направления на сигнал и помеху совпадают, то разделить сигнал и помеху с помощью АА невозможно. В этом случае нужно попытаться переместить БЛА относительно источника помехи так, чтобы направления на сигнала и помеху стали разными.

Максимальное число источников помех с разными пространственными направлениями сигналы которых можно подавить с помощью АА равно числу антенн в АА минус 1. С помощью АА, состоящей из двух элементов, можно подавить один источник помехи.

Для иллюстрации работы АА в режиме подавления помех на рис. 7 и 8 показаны скриншоты программы отображения статистической информации от модема, оснащенного АА [5]. На этих рисунках приведены данные об уровне сигнала (RSSI, верхний график), уровне ошибок помехоустойчивого декодера и числе итераций процесса декодирования (FER, Iterations, второй график) и спектр мощности принимаемого сигнала (третий график). На рис. 7 приведены данные при отсутствии помехи, а на рис. 8 данные при наличии помехи с уровнем INR около 20 дБ.

Рис. 7. Параметры принимаемого сигнала при отсутствии помехи. Скриншот программы отображения статистической информации от модема [5] Рис. 7. Параметры принимаемого сигнала при отсутствии помехи. Скриншот программы отображения статистической информации от модема [5]

Из рис. 8 видно, что спектр принимаемого сигнала сильно искажен помехой и все кодовые слова помехоустойчивого кода декодируются с ошибкой (отрезок с FER=1 в середине графика).

Рис. 8. Параметры принимаемого сигнала при наличии помехи с INR около 20 дБ. Скриншот программы отображения статистической информации от модема Рис. 8. Параметры принимаемого сигнала при наличии помехи с INR около 20 дБ. Скриншот программы отображения статистической информации от модема

На рис. 9 приведен видеоклип работы программы отображения статистической информации. До 2-ой секунды клипа модем работает при отсутствии помехи. На 2-ой секунде помеха включается и далее не выключается до конца клипа. Из клипа видно, что включение помехи приводит только к кратковременному ухудшению связи в момент включения помехи, а далее связь восстанавливается с качеством, равным первоначальному.

Рис. 9. Видеоклип, иллюстрирующий работу АА при включении источника помехи с INR около 20 дБ на 2-ой секунде и не выключающегося до конца клипа

Вывод. Применение АА, состоящей всего из двух штыревых антенн на БЛА дает возможность подавить сигнал одного источника помехи. Подавление сигнала помехи на 20 дБ эквивалентно уменьшению критического расстояния до ее источника в 10 раз (критическое расстояние равно расстоянию до источника при котором происходит прерывание связи). Подобная АА реализована, например, в модеме [5].

Связь с несколькими БЛА от одной НС

АА может быть очень эффективна при реализации сети связи типа точка—много точек, т. е. когда требуется одновременно управлять несколькими БЛА от одной НС и получать информацию от них. Использование направленных антенн на НС может быть затруднительно в данной конфигурации особенного когда БЛА находятся на существенно разном азимутальном направлении относительно НС. Подобная ситуация показана на рис. 10.

Рис. 10. Сеть связи точка—три точки с тремя БЛА и одной НС Рис. 10. Сеть связи точка—три точки с тремя БЛА и одной НС

Из рис. 10 видно, что НС должна одновременно передавать и принимать данные в диапазоне азимутальных углов 360⁰. В таких случаях обычно используют ненаправленные антенны на НС, но это приводит к существенному уменьшению дальности связи. Альтернатива в виде направленной антенны, установленной на механической поворотной системе, не слишком привлекательна, т. к. не обеспечивает одновременной связи со всеми БЛА. АА в этой ситуации оказывается более интересным для практики вариантом из-за следующих возможностей.

При использовании временного разделения каналов связи НС ↔ БЛА #X адаптивная антенна может осуществлять практически мгновенную перестройку азимутального положения максимума ДН на обслуживаемый БЛА непосредственно перед нужным тайм-слотом.
При использовании в канале связи НС → БЛА общего тайм-слота для всех БЛА адаптивная антенна может распределять мощность своего передатчика между азимутальными направлениями неравномерно. Другими словами в направлении наиболее близкого к НС БЛА адаптивная антенна может излучать наименьшую мощность, а в направлении наиболее далекого БЛА — наибольшую.

Неравное распределение мощности передатчика НС между БЛА иллюстрируется на рис. 11. Здесь рассмотрена ситуация с обслуживанием двух БЛА, находящихся на азимутальных положениях 0⁰ и 90⁰ соответственно. Для голубой ДН в направлении 0⁰ излучается 80% мощности передатчика НС, а для красной ДН — 40%.

Рис. 11. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации ДН АА в направлении двух пользователей с азимутами 0⁰ и 90⁰. Для голубой (красной) ДН 80% (40%) мощности передатчика направлено на первого пользователя. Расстояние между элементами АА равно половине длины волны Рис. 11. ДН одиночной штыревой (зеленый) и адаптивной (голубой и красный) антенн в полярных координатах при ориентации ДН АА в направлении двух пользователей с азимутами 0⁰ и 90⁰. Для голубой (красной) ДН 80% (40%) мощности передатчика направлено на первого пользователя. Расстояние между элементами АА равно половине длины волны

Вывод. Применение АА на НС дает возможность обслуживать несколько БЛА от одной НС без использования ненаправленных антенн и связанного с ними уменьшения дальности связи.

Литература

1. Смородинов А.А. Как выбрать широкополосный модем для беспилотного летательного аппарата (БЛА). Хабр. 2019.
2. Смородинов А.А. Как увеличить дальность связи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА). Хабр. 2019.
3. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. Связь. Москва. 1971.
4. C.A. Balanis. Antenna theory. Analysis and design. Fourth edition. John Wiley & Sons. 2016.
5. Цифровой дуплексный радиомодем 3D Link BF.
6. ISM radio band. Статья в Википедии.
7. R. Poisel. Modern Communications Jamming Principles and Techniques. Second edition. Artech house. 2011.
8. S. Haykin. Adaptive Filter Theory. Fifth edition. Pearson. 2014.